EP2339640A1 - Photodétecteur à structure plasmon - Google Patents

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EP2339640A1
EP2339640A1 EP10306309A EP10306309A EP2339640A1 EP 2339640 A1 EP2339640 A1 EP 2339640A1 EP 10306309 A EP10306309 A EP 10306309A EP 10306309 A EP10306309 A EP 10306309A EP 2339640 A1 EP2339640 A1 EP 2339640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
photodetector
patterns
semiconductor
metal structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10306309A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Gravrand
Gérard Destefanis
Jérôme Le Perchec
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2339640A1 publication Critical patent/EP2339640A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H01L27/1465—Infrared imagers of the hybrid type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H01L31/1032—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIBVI compounds, e.g. HgCdTe IR photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to the field of the detection of electromagnetic radiation, and in particular infrared, using metal structures called "plasmon structures”.
  • a known detection mode of infrared radiation consists in carrying out the absorption of this radiation by a layer of small gap semiconductor material, such as for example CdHgTe.
  • the absorption of the photons by this layer then creates electron-hole pairs and the minority carriers thus produced diffuse or drift under the effect of an electric field in the absorption layer to be collected at the level of electrodes.
  • the quality of the detection is then mainly dictated by the dimensions of the absorption layer.
  • the quantum efficiency of the detection is even better than this layer is thick.
  • the dark current which is one of the main sources of noise in this type of detection, is all the higher as the collection volume of photo-carriers is important.
  • the design of such a detection is a compromise between the efficiency of detection, defined by the quantum efficiency, and the amount of noise present in the signal from the detection, partly induced by the dark current.
  • photodetectors of the metal-semiconductor-metal type with metal structures, called “plasmon” structures, arranged on or in the absorption layer have been designed.
  • plasmon structures arranged on or in the absorption layer.
  • a suitable choice of said structures usually taking the form of rectilinear and parallel beams of rectangular section, then allows a very significant confinement of the electromagnetic field in the absorption layer, thus inducing a significant reduction of the dark current.
  • the plasmon structures In addition to confining the electromagnetic field in a small volume, the plasmon structures also make it possible, under certain geometric conditions, to reduce the detector response time, which is related to the carrier diffusion rate in the absorption layer, or apply spectral filtering or polarization selectivity. For example, we can refer to the document WO 01/2275 for more details.
  • a photodetector of this type constitutes a single detection element, "unitary" detector or a small linear array.
  • a conventional technique allowing the exploitation of a large number of elements simultaneously is the hybridization of photodetectors on a silicon reading circuit via the so-called “flip-chip” technique using an indium solder ball interconnection. a two-dimensional matrix of connectors.
  • the electrodes face the reading circuit and not the incident face of the radiation, which renders the plasmon structure inefficient.
  • the object of the present invention is to solve the aforementioned problem by providing a photodetector for two-dimensional detection from a single arrangement of plasmon structure and absorbing semiconductor layer.
  • the metal structure therefore plays only an optical role and is not used for the collection of charge carriers.
  • Each semiconductor zone collects the carriers in its immediate vicinity, thus defining a unitary detection element.
  • the metal structures called plasmon structures can be continuous over the entire surface of the photodetector.
  • the photodetector may include one or more of the following features.
  • the photodetector has a dielectric tuning layer formed between the reflective layer and the semiconductor layer.
  • This tuning layer adjusts the optical frequency at which the detected radiation resonates with the geometry of the metal structure.
  • the geometry of the plasmon structures, but also the thickness of this dielectric layer both contribute to the dimensioning of the photodetector, especially concerning the spectral range of sensitivity.
  • the photodetector comprises an insulating passivation layer between the semiconductor layer and the metal structure.
  • This insulating layer makes it possible to effectively electrically isolate the conductors of the metal structure and thus to prevent electrical connections between the semiconductor layer and the characteristic semiconductor zones of the invention via the metal structure.
  • the semiconductor zone is substantially formed at the geometric barycenter of the portion of the metal structure included in the elementary detection surface.
  • the part of the metal structure included in the elementary detection surface comprises zones of parallel patterns and of different orientations, in particular zones of substantially perpendicular orientation patterns.
  • the metal structure portion included in the elementary detection surface comprises elongate elements forming concentric closed contours, in particular substantially square or circular contours.
  • the photodetector is thus non-selective in polarization.
  • Other plasmon structures can be used to obtain a non-polarization selectivity, such as for example a metal patch network, as for example described in the publication of J. Perchec et al., "Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys. Lett. 94, 181104 (2009) )], or a network of holes formed in a metal film.
  • the part of metal structure included in an elementary detection surface comprises parallel patterns, the spatial periodicity of the patterns of an elementary detection surface being different from the spatial periodicity of the patterns of an adjacent elementary detection zone.
  • adjacent pixels are not responsive to the same wavelength. It then becomes possible to combine the signals derived from adjacent pixels in order to obtain a non-selective detection of wavelength radiation, while preserving the confinement of the electromagnetic field in the semiconductor layer.
  • the elementary detection zones are grouped into macropixels, the semiconducting zones of each macropixel being able to be electrically connected in parallel.
  • the elementary detection surfaces of a macropixel comprise zones of parallel patterns of different orientations, especially zones of patterns of orientations substantially perpendicular to each other.
  • the elementary detection surfaces of a macropixel comprise parallel patterns, the orientation of the patterns of an elementary detection surface being different from the orientation of the patterns of an adjacent, and especially perpendicular, detection surface.
  • the conductor comprises, on the side of the reflective layer, a contact recovery surface for the hybridization of the photodetector on an electronic circuit.
  • a contact recovery surface for the hybridization of the photodetector on an electronic circuit.
  • the photodetector can be reported for example on a conventional read circuit.
  • the reflective layer and the contact recovery surface may form a single layer.
  • the semiconductor layer and the semiconductor regions consist of CdZnTe or CdHgTe.
  • a two-dimensional photodetector according to the invention is illustrated in the Figures 1 and 2 under the general reference 10.
  • a 2 x 2 pixel photodetector is shown.
  • the photodetector further comprises a plurality of semiconductor regions 24 formed in the semiconductor layer 12 and having a different doping thereof, for example CdHgTe or CdZnTe areas with n-doping.
  • the via 26 extends from the reflective layer 22 to at least the zone 24 and is electrically insulated from the metal structure 16 , for example by not completely traversing the absorbent layer 12 , and by the presence of the insulating passivation layer 14 . There is therefore no electrical path between the semiconductor layer 12 and the semiconductor zones 24 passing through the metal structure 16 .
  • the thickness of the passivation layer 14 can be reduced, in particular to optimize the coupling between the metal structure 16 and the semiconductor layer 12 . In certain configurations, this passivation layer 14 can even be omitted, the metal structure 16 then being formed directly on the semiconductor layer 12 . The electrical insulation of the via 26 is then obtained because they do not completely pass through the layer 12 .
  • metal contact resumptions 28 are also formed in the extension of the via 26 for the hybridization of the photodetector 10 on a reading circuit 30 by means of solder balls 32, for example indium.
  • the dimensions and the spacing of the beams 18 of the metal structure 16 are selected so that the electromagnetic field resulting from an electromagnetic radiation incident on the front face of the photodetector, that is to say the face provided with the structure 16 , is confined in the absorbent layer 12 between the beams 18 and a small thickness, especially a thickness between 200 and 500 nanometers.
  • Plasmon structures are conventional and therefore will not be described in more detail later for reasons of brevity.
  • a plasmon structure we can for example refer to the document WO 01/2275 .
  • each semiconductor zone 24 is then advantageously placed under a beam 18 thereby coinciding the collection volume of the photocurrent and the dark current and thus optimizing the structure.
  • the tuning layer 20 can make it possible to choose the frequency of the incident radiation which resonates with the surface plasmons of the metal structure 16 .
  • the tuning layer 20 is optional, depending on the precise geometry of the plasmon structures used [cf. Jérome Le Perchec, "Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys. Lett. 94, 181104 (2009) )]. Note also that in the case where the reflective layer 22 is metallic, the tuning layer 20 may not play optical role but thus becomes an insulating passivation layer of reduced thickness.
  • the front face of the photodetector 10 that is to say that provided with the metal structure 16, is subjected to radiation to be detected.
  • the incident electromagnetic field is then confined between the beams 18 to a small thickness.
  • electron-hole pairs are generated by the absorption of photons by the semiconductor material of the layer 12 .
  • a potential difference is applied between the layer 12 and the semiconductor zones 24 .
  • the layer 12 is subjected to a first potential, for example by means of the metal structure or a separate peripheral electrode in contact with the layer 12 , and the via 26 are subjected to a second potential by means of the circuit. reading 30 . Minority charge carriers then broadcast to zones 24 for collection via via 26 .
  • the contact covers 28 directly as a reflector.
  • the layers 22 and 28 form a single layer.
  • the via 26 are electrically isolated from the metal structure 16 by the insulating passivation layer 14 .
  • the metal structure 16 may be partially or completely embedded in the mass of the passivation layer 14 in order to increase its insulative and / or passivating nature.

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Abstract

Ce photodétecteur comprend : –  une couche semiconductrice dopée (12); –  une couche réflectrice (22), agencée sous la couche semiconductrice (12); –  une structure métallique (16), agencée sur la couche semiconductrice (12), et formant avec la couche semiconductrice (12) un résonateur par excitation d'un mode plasmon de surface, –  une pluralité de zones semiconductrices (24), formées dans la couche semiconductrice (12) et présentant un dopage opposé au dopage de celle-ci ; et –  pour chaque zone semiconductrice (24), un conducteur (26) traversant le photodétecteur depuis la couche réflectrice (22) jusqu'au moins la zone semiconductrice (24), et isolé électriquement de la structure métallique (16), la zone semiconductrice (24) associée au conducteur (26) correspondant déterminant ainsi une surface élémentaire de détection du photodétecteur.

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention a trait au domaine de la détection de rayonnement électromagnétique, et notamment infrarouge, à l'aide de structures métalliques dites «structures plasmon ».
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Un mode de détection connu d'un rayonnement infrarouge consiste à réaliser l'absorption de ce rayonnement par une couche de matériau semi-conducteur à petit gap, comme par exemple du CdHgTe. L'absorption des photons par cette couche crée alors des paires électron-trou et les porteurs minoritaires ainsi produits diffusent ou dérivent sous l'effet d'un champ électrique dans la couche d'absorption pour être collectés au niveau d'électrodes. La qualité de la détection est alors principalement dictée par les dimensions de la couche d'absorption.
  • En effet, le rendement quantique de la détection est d'autant meilleur que cette couche est épaisse. Dans le même temps, le courant d'obscurité, qui constitue l'une des principales sources de bruit dans ce type de détection, est quant à lui d'autant plus élevé que le volume de collection des photo-porteurs est important. Ainsi, la conception d'une telle détection relève du compromis entre l'efficacité de la détection, défini par le rendement quantique, et la quantité de bruit présent dans le signal issu de la détection, pour partie induit par le courant d'obscurité.
  • Pour pallier ce problème, des photodétecteurs du type métal-semi-conducteur-métal avec des structures métalliques, dites structures « plasmon », disposées sur ou dans la couche d'absorption ont été conçus. De cette manière, un couplage est obtenu pour le rayonnement électromagnétique incident avec des plasmons de surface. Un choix approprié desdites structures, prenant usuellement la forme de poutres rectilignes et parallèles à section rectangulaire, permet alors un confinement très important du champ électromagnétique dans la couche d'absorption, induisant ainsi une réduction importante du courant d'obscurité.
  • Outre le confinement du champ électromagnétique dans un volume restreint, les structures plasmon permettent également, sous certaines conditions géométriques, de diminuer le temps de réponse du détecteur, qui est lié à la vitesse de diffusion des porteurs dans la couche d'absorption, ou d'appliquer un filtrage spectral ou une sélectivité de polarisation. On pourra par exemple se référer au document WO 01/2275 pour plus de détails.
  • Toutefois, dans ce type de photodétecteurs, la collecte des porteurs de charge est réalisée via les structures métalliques elle-même, c'est-à-dire du côté incident du rayonnement. Ainsi, un photodétecteur de ce type constitue un unique élément de détection, détecteur « unitaire » ou encore une barrette linéaire de petite taille. Pour obtenir un photodétecteur bidimensionnel ayant une pluralité d'éléments unitaires de détection, ou pixels, il est alors nécessaire de reporter sur un même support une pluralité de photodétecteurs unitaires indépendants les uns des autres, ce qui s'avère coûteux, voir impossible. Une technique classique permettant l'exploitation d'un grand nombre d'éléments simultanément est l'hybridation des photodétecteurs sur un circuit de lecture en silicium via la technique dite de « flip-chip » utilisant une interconnexion par billes de soudure en indium d'une matrice bidimensionnelle de connecteurs. Malheureusement, dans cette configuration, les électrodes font face au circuit de lecture et non à la face incidente du rayonnement, ce qui rend la structure plasmon inefficace.
    • EXPOSE DE L'INVENTION
  • Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné en proposant un photodétecteur permettant une détection bidimensionnelle à partir d'un unique agencement de structure plasmon et de couche semiconductrice absorbante.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un photodétecteur comprenant :
    • ■ une couche semiconductrice dopée ;
    • ■ une couche réflectrice agencée sous la couche semiconductrice ; et
    • ■ une structure métallique agencée sur la couche semiconductrice, et formant avec la couche semiconductrice un résonateur par excitation d'un mode plasmon de surface.
  • Selon l'invention, le photodétecteur comprend en outre :
    • ■une pluralité de zones semiconductrices, formées dans la couche semiconductrice et présentant un dopage opposé au dopage de celle-ci ; et
    • ■ pour chacune desdites zones semiconductrices, un conducteur traversant le photodétecteur depuis la couche réflectrice jusqu'au moins la zone semiconductrice et isolé électriquement de la structure métallique, la zone semiconductrice, associée au conducteur correspondant, déterminant ainsi une surface élémentaire de détection du photodétecteur.
  • En d'autres termes, les zones semiconductrices formées dans la couche d'absorption, en association avec les conducteurs, forment des zones de collecte des porteurs de charge crées dans ladite couche. La structure métallique joue donc uniquement un rôle optique et n'est pas utilisée pour la collecte des porteurs de charge. Chaque zone semiconductrice collecte les porteurs dans son voisinage immédiat, définissant donc un élément unitaire de détection. En formant un réseau de zones semiconductrices, il est ainsi obtenu une pluralité d'éléments unitaires de détection, et donc une détection bidimensionnelle, et cela sans fabrication d'éléments unitaires distincts ensuite reportés sur un support. Notamment, les structures métalliques dites structures plasmon peuvent être continues sur toute la surface du photodétecteur.
  • Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, le photodétecteur peut comporter un ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
  • Le photodétecteur comporte une couche d'accord diélectrique, formée entre la couche réflectrice et la couche semi-conductrice. Cette couche d'accord permet de régler la fréquence optique à laquelle le rayonnement détecté entre en résonance avec la géométrie de la structure métallique. Ainsi, la géométrie des structures plasmons, mais aussi l'épaisseur de cette couche diélectrique participent toutes deux au dimensionnement du photodétecteur, notamment concernant la gamme spectrale de sensibilité.
  • Le photodétecteur comporte une couche de passivation isolante entre la couche semiconductrice et la structure métallique. Cette couche isolante permet d'isoler électriquement efficacement les conducteurs de la structure métallique et d'empêcher ainsi des connexions électriques entre la couche semiconductrice et les zones semiconductrices caractéristiques de l'invention par l'intermédiaire de la structure métallique.
  • La zone semiconductrice est sensiblement formée au barycentre géométrique de la partie de la structure métallique comprise dans la surface élémentaire de détection. En plaçant ainsi la zone semiconductrice, le barycentre du spectre du rayonnement détecté est conservé, et cela quelle que soit la géométrie de la structure métallique.
  • La partie de la structure métallique comprise dans la surface élémentaire de détection comporte des zones de motifs parallèles et d'orientations différentes, notamment des zones de motifs d'orientations sensiblement perpendiculaires. Grâce à des motifs d'orientations différentes, il est ainsi possible de détecter plusieurs polarisations du rayonnement électromagnétique incident.
  • La partie de structure métallique comprise dans la surface élémentaire de détection comporte des éléments longilignes formant des contours fermés concentriques, notamment des contours sensiblement de forme carrée ou circulaire. Le photodétecteur est ainsi non sélectif en polarisation. D'autres structures plasmon peuvent être utilisées pour obtenir une non sélectivité en polarisation, comme par exemple un réseau de patch métalliques, tel que par exemple décrit dans la publication de J. Le Perchec et al., "Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys. Lett. 94, 181104 (2009)], ou encore un réseau de trous formés dans un film métallique.
  • La partie de structure métallique comprise dans une surface élémentaire de détection comporte des motifs parallèles, l'orientation des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de l'orientation des motifs d'une surface de détection adjacente, et notamment perpendiculaire. Il est ainsi obtenu des pixels adjacents qui ne sont pas sensibles aux mêmes polarisations. Il est alors possible de combiner les signaux issus de pixels adjacents afin d'obtenir une détection du rayonnement selon plusieurs directions de polarisation.
  • La partie de structure métallique comprise dans une surface élémentaire de détection comporte des motifs parallèles, la périodicité spatiale des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de la périodicité spatiale des motifs d'une zone élémentaire de détection adjacente. De cette manière, des pixels adjacents ne sont pas sensibles à la même longueur d'onde. Il devient alors possible de combiner les signaux issus de pixels adjacents afin d'obtenir une détection du rayonnement non sélective en longueur d'onde, tout en conservant le confinement de champ électromagnétique dans la couche semiconductrice.
  • Dans un mode de réalisation, les zones élémentaires de détection sont regroupées en macropixels, les zones semiconductrices de chaque macropixel étant aptes à être connectées électriquement en parallèle.
  • Plus particulièrement, les surfaces élémentaires de détection d'un macropixel comportent des zones de motifs parallèles d'orientations différentes, notamment des zones de motifs d'orientations sensiblement perpendiculaires les unes par rapport aux autres. En variante, les surfaces élémentaires de détection d'un macropixel comportent des motifs parallèles, l'orientation des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de l'orientation des motifs d'une surface de détection adjacente, et notamment perpendiculaire.
  • Le conducteur comporte, du côté de la couche réflectrice, une surface de reprise de contact pour l'hybridation du photodétecteur sur un circuit électronique. De cette manière, le photodétecteur peut être reporté par exemple sur un circuit de lecture classique. La couche réflectrice et la surface de reprise de contact peuvent ne former qu'une seule et même couche.
  • La couche semiconductrice et les zones semiconductrices sont constituées de CdZnTe ou de CdHgTe.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogue, et dans lesquels :
    • ■ la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un photodétecteur selon l'invention ;
    • ■ la figure 2 est une vue en section du photodétecteur de la figure 1, selon l'axe A-A ;
    • ■ les figures 3 et 4 sont des vues schématiques respectivement de dessus et en section d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
    • ■ les figures 5 à 8 sont des vues schématiques de dessus de plusieurs géométries de structure plasmon selon l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Un photodétecteur bidimensionnel selon l'invention est illustré au sein des figures 1 et 2 sous la référence générale 10. Dans cet exemple, un photodétecteur de 2 x 2 pixels est représenté.
  • Le photodétecteur 10 comporte :
    • ■ une couche semiconductrice absorbante 12 de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, dans laquelle les photons incidents créent des paires électron-trou ; il s'agit par exemple d'une couche semi-conductrice dopée p réalisée en CdHgTe ou en CdZnTe pour la détection d'un rayonnement infrarouge moyen (longueur d'onde comprise entre 3 et 5 micromètres) et/ou lointain (longueur d'onde comprise entre 8 et 10 micromètres) ;
    • ■ une couche isolante de passivation 14, déposée sur la couche semiconductrice 12 et de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur ;
    • ■ une structure métallique 16, par exemple réalisée en or, formée de poutrelles 18 métalliques identiques, rectilignes, parallèles et de section transversale rectangulaire. La structure 16 forme avec la couche semiconductrice 12 un résonateur par excitation d'un mode plasmon de surface, comme cela est connu en soi dans l'état de la technique ;
    • ■ une couche diélectrique d'accord 20, de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, déposée sous la couche semiconductrice 12, par exemple une couche réalisée en CdTe ; et
    • ■ une couche réflectrice 22, par exemple un réseau de Bragg ou une couche métallique réfléchissante, déposée sous la couche d'accord 20.
  • Le photodétecteur comporte en outre une pluralité de zones semiconductrices 24 formées dans la couche semiconductrice 12 et présentant un dopage différent de celle-ci, par exemple des zones en CdHgTe ou en CdZnTe avec un dopage n.
  • Un via métallique 26 formant conducteur, par exemple réalisé en platine, est par ailleurs formé pour chaque zone semiconductrice 24. Le via 26 s'étend depuis la couche réflectrice 22 jusqu'au moins la zone 24 et est électriquement isolé de la structure métallique 16, par exemple en ne traversant pas totalement la couche absorbante 12, et par la présence de la couche de passivation isolante 14. Il n'existe donc pas de chemin électrique entre la couche semiconductrice 12 et les zones semiconductrices 24 passant par la structure métallique 16. On notera que l'épaisseur de la couche de passivation 14 peut être réduite, notamment pour optimiser le couplage entre la structure métallique 16 et la couche semiconductrice 12. Dans certaines configurations, cette couche de passivation 14 peut même être omise, la structure métallique 16 étant alors formée directement sur la couche semiconductrice 12. L'isolation électrique des via 26 est alors obtenue du fait que ceux-ci ne traversent pas complètement la couche 12.
  • De manière optionnelle, des reprises de contact métalliques 28 sont par ailleurs formées dans le prolongement des via 26 pour l'hybridation du photodétecteur 10 sur un circuit de lecture 30 au moyen de billes de soudure 32 par exemple en indium.
  • Avantageusement, les dimensions et l'espacement des poutrelles 18 de la structure métallique 16 sont sélectionnés pour que le champ électromagnétique issu d'un rayonnement électromagnétique incident sur la face avant du photodétecteur, c'est-à-dire la face pourvue de la structure 16, soit confiné dans la couche absorbante 12 entre les poutrelles 18 et sur une faible épaisseur, notamment une épaisseur comprise entre 200 et 500 nanomètres.
  • Les structures plasmon sont classiques et ne seront donc pas décrites plus en détail par la suite pour des raisons de concision. Pour plus de détails sur le fonctionnement d'une structure plasmon, on pourra par exemple se référer au document WO 01/2275 .
  • Dans le cas où le champ électromagnétique est confiné entre les poutrelles 18, chaque zone semiconductrice 24 est alors avantageusement placée sous une poutrelle 18 faisant ainsi coïncider le volume de collecte du photocourant et du courant d'obscurité et optimisant ainsi la structure.
  • Par ailleurs, la couche d'accord 20, et plus particulièrement son épaisseur, peut permettre de choisir la fréquence du rayonnement incidente qui entre en résonance avec les plasmons de surface de la structure métallique 16. On pourra se référer pour plus de précision au document « Résonances photoniques dans les réseaux métalliques ; théorie et application à la photodétection ultrarapide », de Stéphane Collin, Thèse, Univ. Paris 6,2002
  • On notera que la couche d'accord 20 est facultative, dépendant de la géométrie précise des structures plasmon utilisées [cf Article Jérome Le Perchec, "Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region ", Appl. Phys. Lett. 94, 181104 (2009)]. On notera également que dans le cas où la couche réflectrice 22 est métallique, la couche d'accord 20 peux ne pas jouer de rôle optique mais devient de ce fait une couche de passivation isolante d'épaisseur réduite.
  • En fonctionnement, la face avant du photodétecteur 10, c'est-à-dire celle pourvue de la structure métallique 16, est soumise à un rayonnement à détecter. Le champ électromagnétique incident est alors confiné entre les poutrelles 18 sur une faible épaisseur. Dans le volume ainsi défini, des paires électron-trou sont générées par l'absorption de photons par le matériau semiconducteur de la couche 12. Périodiquement, une différence de potentiel est appliquée entre la couche 12 et les zones semiconductrices 24. Par exemple, la couche 12 est soumise à un premier potentiel, par exemple au moyen de la structure métallique ou d'une électrode périphérique distincte en contact avec la couche 12, et les via 26 sont soumis à un second potentiel au moyen du circuit de lecture 30. Les porteurs de charge minoritaires diffusent alors jusqu'aux zones 24 pour leur collecte au moyen des via 26.
  • On notera ainsi que les porteurs de charge diffusent vers la zone semiconductrice 24 la plus proche. De fait, il est créé des surfaces élémentaires de détection S1-S2 (voir figure 1) autour de chaque zone 24. Dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2, les zones 24 sont disposées selon un réseau carré et définissent donc des surfaces élémentaires de détection carrées. Une matrice d'imagerie de 2 x 2 pixels est donc obtenue dans cet exemple.
  • Un exemple de procédé de fabrication d'un détecteur en CdHgTe est le suivant :
    1. 1. croissance de la couche absorbante 12 en CdHgTe sur un substrat CdZnTe par épitaxie par jets moléculaires ;
    2. 2. dépôt de la couche d'accord diélectrique 20 suivi du dépôt de la couche réflectrice 22 ;
    3. 3. création d'un contact électrique périphérique sur la couche 12 ;
    4. 4. recuit de l'ensemble pour obtenir un dopage p dans la couche en CdHgTe, par exemple entre 200°C et 300°C pendant plusieurs heures ;
    5. 5. usinage des via 26 jusque la couche en CdHgTe, ce qui induit la création des zones semiconductrices annulaires 24, et formation des reprises de contact 28. Les zones semiconductrices 24 peuvent également être obtenues par une étape d'implantation ionique ;
    6. 6. hybridation de l'ensemble obtenu sur le circuit 30 au moyen des billes de soudure 32 ;
    7. 7. amincissement du substrat du circuit 30 ;
    8. 8. dépôt de la couche de passivation 14 sur la couche absorbante 12 ;
    9. 9. dépôt d'une résine, suivi d'une insolation avec un masque présentant la topologie de la structure métallique 16 ;
    10. 10. dépôt du métal constitutif de la structure métallique 16 ; et
    11. 11. « liftoff » du métal : retrait de la résine et du métal déposé sur cette dernière.
  • Il est également possible dans une variante d'utiliser les reprises de contact 28 directement comme réflecteur. Dans cette configuration, les couches 22 et 28 ne forment plus qu'une seule et même couche.
  • Il a été décrit un mode de réalisation dans lequel les via 26 ne débouchent pas sur la face avant du photodétecteur 10. Toutefois, l'obtention de via 26 non traversants peut être complexe, et donc couteuse, car nécessitant un contrôle très précis de la profondeur à graver dans une couche semiconductrice 12, qui présente une épaisseur très faible. En outre, pour des raisons technologiques, liées par exemple au matériel de fabrication employé, qui impose d'hybrider le photodétecteur sur le circuit de lecture 30 avant la formation des via 26, ces derniers peuvent être réalisés depuis la face avant du photodétecteur.
  • Dans une première variante, les via 26 sont isolés électriquement de la structure métalliques 16 par la couche de passivation isolante 14. Avantageusement, la structure métallique 16 peut être partiellement, ou totalement, noyée dans la masse de la couche de passivation 14 afin d'augmenter son caractère isolant et/ou passivant.
  • Selon une seconde variante, dans laquelle la couche de passivation isolante 14 est absente, il convient d'éviter tout contact électrique entre la couche semiconductrice 12 et les zones semiconductrices 24 par l'intermédiaire des via 26 et de la structure métallique 16. Pour ce faire, comme cela est illustré aux figures 3 et 4, la structure métallique 16 est éliminée autour des via 26, avantageusement sur une surface tenant compte des incertitudes de positionnement des structures métalliques et des via inhérentes à la technologie de fabrication de ceux-ci.
  • Il a été décrit des modes de réalisation dans lesquelles la structure métallique prend la forme de poutrelles identiques, rectilignes, parallèles et régulièrement espacées. Cette géométrie présente cependant une sélectivité en polarisation. Notamment, la composante du rayonnement électromagnétique polarisée perpendiculairement aux poutrelles n'est que faiblement détectée. D'autres types de géométries de la structure métallique sont cependant possibles en fonction de l'application visée.
  • Notamment, dans un mode de réalisation illustré à la figure 5, la structure métallique présente une alternance de zones Z1, Z2, Z3, Z4, avec des orientations de poutrelles différentes, et avantageusement des orientations perpendiculaires pour détecter des polarisations perpendiculaires. Chaque zone Z1, Z2, Z3, Z4, présente en son centre une zone semiconductrice 24.
  • En combinant les signaux issus de quatre pixels adjacents, il est ainsi obtenu un « macropixel » carré de 2 pixels par 2 pixels, dont le signal contient les polarisations perpendiculaires du rayonnement incident.
  • Une manière de combiner les signaux de plusieurs pixels afin de former un macropixel est de connecter électriquement les reprises de contact 28 de ces pixels ou de prévoir dans le circuit de lecture 30 des pistes électriques connectant en parallèle les billes de soudure 32 correspondantes. Les zones semiconductrices 24 des pixels sont alors connectées électriquement en parallèle, formant ainsi le macropixel. Le taux de remplissage optique et/ou la réponse spectrale du détecteur, ou encore la sensibilité en polarisation du détecteur sont ainsi optimisés. Cette connexion en parallèle des zones semiconductrice peut par ailleurs être permanente ou non. Par exemple, les zones semiconductrices peuvent être mises en parallèle à l'aide d'interrupteurs pilotables.
  • On notera, que d'autres types d'orientations sont possibles, par exemple pour détecter deux rayonnements électromagnétiques de polarisations rectilignes différentes. L'orientation des poutrelles est alors choisie en fonction de la polarisation de ces champs.
  • Plutôt que de détecter des polarisations différentes en combinant les signaux issus de pixels adjacents, la détection de polarisations différentes peut être obtenue directement à l'aide d'un seul pixel dont la zone semiconductrice 24 est placée au centre de la surface définie par les zones Z1, Z2, Z3, Z4, comme cela est illustré à la figure 6. La surface élémentaire de détection d'un pixel comprend ainsi des poutrelles d'orientations différentes, perpendiculaires dans cet exemple.
  • Afin de rendre la détection indépendante de la polarisation du rayonnement incident, chaque zone semiconductrice 24 est placée au centre de poutrelles formant des contours fermés concentriques, comme cela est illustré à la figure 7. Afin de maximiser le taux de remplissage du photodétecteur en pixels, les contours fermés sont avantageusement de forme carrée, bien que d'autres types de contours puissent être envisagés, comme par exemple des contours circulaires concentriques ou encore des réseaux de patchs de forme définis.
  • Par ailleurs, la largeur et l'espacement entre les poutrelles règlent la fréquence de résonance des plasmons de surface, et donc la fréquence à laquelle le rendement quantique du photodétecteur présente un gain élevé. Ainsi, prévoir une largeur et un espacement uniques pour la structure métallique implique une application du photodétecteur à une gamme prédéterminée de fréquences. Il peut être souhaité un photodétecteur sensible à plusieurs gammes de fréquences.
  • A cet effet, la structure métallique peut comporter des zones dans lesquelles les poutrelles présentent une première largeur et/ou un premier espacement en alternance avec d'autres zones où les poutrelles présentent une largeur et/ou un espacement différent afin d'obtenir une détection sensible à plusieurs gammes de fréquences. La figure 8 illustre le cas d'une détection sensible à deux gammes de fréquences, quatre pixels adjacents ayant leurs signaux combinés pour obtenir un macropixel de deux pixels sur deux pixels. On notera que l'agencement de la figure 6 avec son unique zone semiconductrice peut être également utilisé pour obtenir un pixel sensible à deux gammes de fréquences.
  • On notera également qu'il est possible de combiner les modes de réalisation précédents afin d'obtenir une détection selon plusieurs polarisations et plusieurs gammes de fréquences.
  • On notera cependant que quelle que soit la géométrie de la structure métallique, chaque zone semiconductrice 24 est avantageusement placée au barycentre géométrique de la partie de structure métallique comprise dans la surface élémentaire de détection correspondante, afin de ne pas modifier le barycentre du spectre du rayonnement incident lors de la détection.
  • Il a été décrit des modes de réalisation dans lesquelles la couche semiconductrice 12 est dopé p et les zones semiconductrices sont dopées n. Bien entendu, l'invention s'applique également dans le cas d'une couche semiconductrice dopée n et de zones semiconductrices 24 dopées p.
  • Grâce à l'invention, il est ainsi obtenu les avantages suivants :
    • ■ un confinement du champ électromagnétique dans la couche absorbante sur un volume très limité, et par conséquent une diminution significative du courant d'obscurité, tout en disposant d'une détection bidimensionnelle du rayonnement ;
    • ■ la possibilité d'hybrider le photodétecteur sur un circuit électronique de lecture grâce aux via débouchant sur la face arrière de celui-ci ;
    • ■ une sélectivité en polarisation et en gammes de fréquences par un choix approprié de la structure plasmon ; et
    • ■ un contrôle de la longueur d'onde de détection par un choix approprié de la forme et des dimensions du masque utilisé lors de la formation des structures plasmons et notamment un masque de cote variable. Ceci permet des formes différentes pour des pixels adjacents et donc des caractéristiques spectrales différentes. Une détection hyper spectrale au sein de la même couche absorbante est alors possible.

Claims (15)

  1. Photodétecteur comprenant :
    ■ une couche semiconductrice dopée (12);
    ■ une couche réflectrice (22), agencée sous la couche semiconductrice (12); et
    ■ une structure métallique (16), agencée sur la couche semiconductrice (12), et formant avec la couche semiconductrice (12) un résonateur par excitation d'un mode plasmon de surface,
    caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
    ■ une pluralité de zones semiconductrices (24), formées dans la couche semiconductrice (12) et présentant un dopage opposé au dopage de celle-ci ; et
    ■ pour chaque zone semiconductrice (24), un conducteur (26) traversant le photodétecteur depuis la couche réflectrice (22) jusqu'au moins la zone semiconductrice (24), et isolé électriquement de la structure métallique (16), la zone semiconductrice (24) associée au conducteur (26) correspondant déterminant ainsi une surface élémentaire de détection du photodétecteur.
  2. Photodetecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'accord diélectrique (20), formée entre la couche réflectrice (22) et la couche semi-conductrice (12).
  3. Photodétecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une couche isolante de passivation (14) positionnée entre la couche semiconductrice (12) et la structure métallique (16).
  4. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone semiconductrice (24) est sensiblement formée au barycentre géométrique de la partie de la structure métallique comprise dans la surface élémentaire de détection.
  5. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de la structure métallique (16) comprise dans la surface élémentaire de détection comporte des zones de motifs parallèles d'orientations différentes, notamment des zones de motifs d'orientations sensiblement perpendiculaires les unes par rapport aux autres.
  6. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure métallique comporte un réseau de patchs métalliques ou un réseau de trous formés dans un film métallique.
  7. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de structure métallique (16) comprise dans la surface élémentaire de détection comporte des éléments longilignes formant des contours fermés concentriques, notamment des contours sensiblement de forme carrée ou circulaire.
  8. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de structure métallique (16) comprise dans une surface élémentaire de détection comporte des motifs parallèles, l'orientation des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de l'orientation des motifs d'une surface de détection adjacente, et notamment perpendiculaire.
  9. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de structure métallique (16) comprise dans une surface élémentaire de détection comporte des motifs parallèles, la périodicité spatiale des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de la périodicité spatiale des motifs d'une zone élémentaire de détection adjacente.
  10. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones élémentaires de détection sont regroupées en macropixels, les zones semiconductrices de chaque macropixel étant aptes à être connectées électriquement en parallèle.
  11. Photodétecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les surfaces élémentaires de détection d'un macropixel comportent des zones de motifs parallèles d'orientations différentes, notamment des zones de motifs d'orientations sensiblement perpendiculaires les unes par rapport aux autres.
  12. Photodétecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les surfaces élémentaires de détection d'un macropixel comportent des motifs parallèles, l'orientation des motifs d'une surface élémentaire de détection étant différente de l'orientation des motifs d'une surface de détection adjacente, et notamment perpendiculaire.
  13. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur (26) comporte, du côté de la couche réflectrice (22), une surface de reprise de contact (28) pour l'hybridation du photodétecteur sur un circuit électronique (30).
  14. Photodétecteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche réflectrice (22) et la surface de reprise de contact (28) ne forment qu'une seule et même couche.
  15. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche semiconductrice (12) et les zones semiconductrices (24) sont constituées de CdHgTe ou CdZnTe.
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